[論文レビュー] Overcrowding drives the unjamming transition of gap-free monolayers

Tao Su, Ganhui Lan|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2016

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 63被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、等方的圧縮によって引き起こされる過密化が、ギャップのない2次元膜において、通常の粒子系における密度駆動型ジャミングとは逆にアンジャミング転移を誘発することを示している。この転移は細胞間接着と等方的圧縮によって支配されており、自由エネルギー障壁の解析により、アンジャミング過程で単一障壁から二重障壁のプロファイルに変化していることが明らかになった。これは、非常に変形しやすい組織における機械的降伏を示している。

ABSTRACT

Collective cell motility plays central roles in various biological phenomena such as inflammatory response, wound healing, cancer metastasis and embryogenesis. These are biological demonstrations of the unjamming transition. However, contradictory to the typical density-driven jamming processes in particulate assemblies, cellular systems often get unjammed in highly packed, sometimes overcrowding tissue environments. In this work, we report that overcrowding can unjam gap-free monolayers through increasing isotropic compression. The transition boundary is determined by the isotropic compression and the cell-cell adhesion. We explicitly construct the free energy landscape for the T1 topological transition during monolayer rearrangement, and find that it evolves from single-barrier shape to double-barrier shape upon completion of the unjamming process. Our analyses reveal that the overcrowding and adhesion induced unjamming transition reflects the mechanical yielding of the highly deformable monolayer, which differs from those caused by loosing up a packed particulate assembly.

研究の動機と目的

• 密なギャップのない上皮膜におけるアンジャミング転移の機械的メカニズムを理解すること。
• 通常の粒子系におけるジャミングとは逆に、過密化した組織でアンジャミングが起こるというパラドックスを解明すること。
• 等方的圧縮と細胞間接着がアンジャミング転移をどのように駆動するかを特定すること。
• 膜の再編成に伴うT1トポロジカル遷移の自由エネルギー障壁を構築および解析すること。
• 機械的降伏が創傷治癒やがん転移などの生物学的プロセスにおける集団的細胞運動の背後にどのように関与するかを明らかにすること。

提案手法

• 等方的圧縮下におけるギャップのない高密度細胞アセンブリをモデル化すること。
• 膜の再編成に伴うT1トポロジカル遷移を特徴付けるために自由エネルギー障壁解析を用いること。
• 等方的圧縮と細胞間接着強度に基づいて遷移境界を導出すること。
• 過密化の度合いを変化させた際の膜の機械的応答をシミュレーションすること。
• アンジャミングに伴い、自由エネルギープロファイルが単一障壁から二重障壁の形状にどのように変化するかを追跡すること。
• ソフトコンデンスドマター物理学の原則を生物学的組織力学に応用すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高密度であるにもかかわらず、過密化がどのようにギャップのない膜でアンジャミングを誘発するのか？
• RQ2 等方的圧縮がアンジャミング転移をどのように駆動するのか？
• RQ3 細胞間接着と機械的応力が共同でアンジャミング境界をどのように決定するのか？
• RQ4 膜がアンジャミングする過程でT1遷移に伴い自由エネルギー障壁のプロファイルにどのような変化が生じるのか？
• RQ5 なぜ変形性の高い上皮組織では機械的降伏が支配的であり、剛体粒子系とは異なるアンジャミング機構が働くのか？

主な発見

• 過密化が等方的圧縮を介してアンジャミングを誘発し、通常の密度駆動型ジャミング行動とは逆転する。
• アンジャミング転移境界は、等方的圧縮と細胞間接着の相乗作用によって決定される。
• T1遷移の自由エネルギー障壁は、アンジャミングに伴い単一障壁から二重障壁の形状に変化し、機械的安定性の変化を示している。
• アンジャミングプロセスは、非常に変形性の高い膜の機械的降伏を反映しており、剛体粒子集合体とは明確に異なる。
• 遷移は密度の低下ではなく、内部圧縮応力によって駆動されており、生物学的組織における独自のメカニズムを示している。
• 本研究は、創傷治癒やがん転移における集団的細胞運動を理解するための機械的枠組みを提供する。